Winziger Lichtschalter beschleunigt Datentransfer

Wissenschaftler des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) haben ein neuartiges Schaltelement entwickelt, mit dem sich Lichtsignale steuern lassen. Dadurch könnte die Datentransferrate in Rechnern und Netzwerken erhöht werden.

Das optische Schaltelement beruht auf einem neuen Steuerungskonzept und ist 300 Mal kleiner als vergleichbare Bauteile. Optische Schaltelemente sind wichtig für die Datenübertragung per Licht. Je kleiner und leistungsfähiger, desto mehr Daten können umso schneller transportiert werden. Das Bauteil ist ein so genanntes akustisches Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das Lichtsignale moduliert.

Schematische Darstellung des neuen Schaltelements. Es misst nur 15 mal 15 Mikrometer. Zum Vergleich: Der Durchmesser eines Haars liegt bei 60 Mikrometern. Abb.: PDI
Schematische Darstellung des neuen Schaltelements. Es misst nur 15 mal 15 Mikrometer. Zum Vergleich: Der Durchmesser eines Haars liegt bei 60 Mikrometern. Abb.: PDI

Würde man ein Haar durchschneiden, so passten auf die Schnittfläche sechzehn der neuen MZIs. Doch das Besondere an dem Bauteil sind auch das Material und die Funktionsweise. Bisherige MZIs werden hauptsächlich aus dielektrischem Material hergestellt und reagieren auf angelegte elektrische Spannungen. Die Neuentwicklung aus dem PDI dagegen wurde aus der Halbleiterverbindung Galliumarsenid (GaAs) hergestellt. Sie benutzt so genannte akustische Oberflächenwellen, um das durch eine optische Faser eingebrachte Licht zu modulieren. Beide Neuerungen führen einerseits zur Steigerung der Effizienz. Andererseits erhöhen sie die Dichte von Bauelementen, die man auf einem Chip integrieren kann.

Das Prinzip von MZIs beruht auf Interferenz, der Überlagerung von Lichtwellen. Ein MZI teilt einen Lichtstrahl, lenkt ihn in zwei Arme und führt ihn nach kurzer Distanz wieder zusammen. In bisherigen GaAs-Prototypen sind diese Arme einige Millimeter lang. Legt man nun eine elektrische Spannung an das Bauteil, so wird der optische Brechungsindex beeinflusst. Das heißt, die Lichtgeschwindigkeit in einem der Arme ändert sich. Trifft bei der Zusammenführung der beiden Teilstrahlen ein Wellenberg mit einem Wellental zusammen, so kommt es zur Auslöschung. „Das Problem dabei ist, dass die Effizienz gering ist", sagt Dr. Paul Santos, Arbeitsgruppenleiter am PDI, „denn die dielektrischen Materialien reagieren nur schwach auf die angelegte Spannung."

Auch bei einer Halbleiterverbindung wie Galliumarsenid bliebe das Problem, wollte man allein mit elektrischer Spannung steuern. Die Wissenschaftler am PDI umgehen die Schwierigkeit, indem sie in das Bauteil eine Art Mini-Schallquelle einbauen. Sie wandelt elektrische Signale in akustische Oberflächenwellen um. Diese Schallwellen breiten sich auf dem Bauteil aus und beeinflussen den Brechungsindex. Durch eine geschickte Anordnung gelingt es, mit wenig akustischer Energie die Lichtgeschwindigkeit im Bauteil zu verändern.

Der Clou dabei: Galliumarsenid eignet sich hervorragend dazu, selbst Licht zu erzeugen. Das MZI nach dem Prinzip des PDI könnte also auf einer winzigen Fläche Lichtquelle und Modulator vereinen und aus einem Stück gefertigt werden. Auf einen Chip von Daumennagelgröße würden mehrere Tausend Modulatoren passen. Die monolithische Bauweise von Lichtquelle und Modulator, die geringe Größe und der kleinere Energieverbrauch könnten die Herstellungskosten senken und die Datenübertragungsraten in Netzwerken und auch in Rechnern selbst steigern. Rasantere Internetverbindungen und schnellere Rechner wären dann möglich. (Detlef Scholz)